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Die Sauerstoffverfügbarkeit im Boden kontrolliert die Emission von Treibhausgasen aus Feuchtgebiets-?kosystemen
Christian Juncher J?rgensen & Bo Elberling
Fakult?t für Geographie und Geologie, Universit?t Kopenhagen, D?nemark
Sauerstoff (O2) ist einer der wichtigsten Kontrollfaktoren der Biogeochemie von Feuchtlandb?den. Seine Verfügbarkeit reguliert sowohl die Produktion als auch den Verbrauch wichtiger Treibhausgase wie Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Distickstoffoxid (N2O) im Boden und damit die m?gliche Emission dieser Gase in die Atmosph?re. Der Einsatz von chemisch-optischen Sensoren (Diping Probe DP-PSt3), die mit einem Mehrkanal-Sauerstoffmessger?t (OXY-10 mini) von PreSens verbunden waren, erm?glichte zuverl?ssige Langzeitmessungen in verschiedenen Bodentiefen eines d?nischen Sumpfgebietes. Die Ergebnisse zeigten komplexe Interaktionen zwischen t?glichen und saisonalen Ver?nderungen der Verfügbarkeit von O2 und mineralischem Stickstoff.
In Feuchtwiesenb?den ist die O2-Verfügbarkeit oft durch hohen Bodenwassergehalt und die Lage des Grundwasserspiegels limitiert. Da n?rdliche Sumpfgebiete etwa 30 % der weltweiten unterirdischen organischen Kohlenstoffe (C) speichern und als Nettoquellen dieser wichtigen Treibhausgase fungieren, ist detailliertes Wissen über die O2-Verfügbarkeit und die O2-Dynamik im Boden von entscheidender Bedeutung. Damit lie?e sich unser Verst?ndnis sowohl der aktuellen Treibhausgasproduktion als auch der Verbrauchsprozesse und Nettoemissionen in die Atmosph?re vertiefen, sowie eine Vorhersage über künftige Ver?nderungen der Nettoemissionen aus dem Boden in die Atmosph?re treffen. Bis vor kurzem wurde das Wissen über die treibhausgasregulierende Wirkung von O2 im Freiland-Ma?stab aus isolierten Laborexperimenten gewonnen. Wir haben gesehen, dass der Transport von Bodengasen über die Grenzfl?che zwischen Boden und Atmosph?re sowohl durch Diffusionstransport in luftgefüllten Porenr?umen im Boden als auch durch das Aerenchym-Gewebe vieler Sumpfpflanzen erfolgt. Einer der fehlenden Schlüsselfaktoren für das Verst?ndnis der Prozesse im Ma?stab eines realen ?kosystems sind jedoch kontinuierliche, hochaufgel?ste und nicht-intrusive Messungen der O2-Verfügbarkeit in Feuchtlandb?den bei kontrastierenden Umweltbedingungen - aufgrund eines schwankenden Grundwasserspiegels und saisonalen Wachstums unterirdisch aerifizierender Sumpf-Makrophyten.
Sauerstoffmessungen mit chemisch-optischen Sensoren
An der Universit?t Kopenhagen, Fakult?t für Geographie und Geologie, haben wir für kontinuierliche Feldmessungen der O2-Dynamik unter der Oberfl?che (Abb. 1) O2-Sonden (Typ PSt3, PreSens GmbH) benutzt. Die Sensoren wurden dauerhaft in einem Bodenprofil in 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 und 60 cm Tiefe unter der Oberfl?che installiert und an ein Mehrkanal-Sauerstoffmessger?t (OXY-10 mini, PreSens GmbH) mit einem Mikrocontroller (CR1000 Datenlogger, Campbell Scientific) zur automatisierten Datenerfassung verbunden. Vor der dauerhaften Installation im Bodenprofil wurden die Sauerstoffsonden in sauerstofffreiem (0 % Lufts?ttigung) und sauerstoffges?ttigtem Wasser (100 % Lufts?ttigung) kalibriert. Rohphasenwinkelausgaben wurden in temperaturkorrigierte O2-Konzentrationen (% Lufts?ttigung) umgewandelt, unter Verwendung der Bodentemperaturwerte, die in den jeweiligen Tiefen gemessen wurden. Die Anwendung dieser Sauerstoffsonden erm?glichte kontinuierliche und wartungsfreie Messungen der O2-Dynamik im Feldma?stab bei einer zeitlichen Aufl?sung von 10 Minuten über einen Zeitraum von zwei Jahren. Sie zeigten eine ausgezeichnete Zuverl?ssigkeit und es gab praktisch keine fehlenden Messungen.
Ergebnisse
Die Ergebnisse unserer Untersuchungen zeigen, dass die Produktion, der Verbrauch und die Emissionsdynamik von Treibhausgasen unter Tage durch eine Reihe von komplexen Wechselwirkungen gesteuert werden. Dazu z?hlen Faktoren wie die t?gliche und saisonale Ver?nderungen der Verfügbarkeit von Sauerstoff und mineralischem Stickstoff, neben oberfl?chennahen Grundwasserspiegelschwankungen und tageszeitlichen Schwankungen des einfallenden Lichts (Abb. 2), die insgesamt die Bedeutung von ?kosystem-abh?ngigen Wechselwirkungen zwischen Boden, Pflanzen und Atmosph?re hervorheben.
Referenzen
[1] Askaer, L., Elberling, B., Glud, R. N., Kühl, M., Lauritsen, F. R., Joensen, H. P., 2010. Soil heterogeneity effects on O2 distribution and CH4 emissions from wetlands: In situ and mesocosm studies with planar O2 optodes and membrane inlet mass spectometry. Soil biology and Biochemistery 42, 2254 - 2265
[2] Elberling, B., Askaer, L., J?rgensen, C. J., Joensen, H. P., Kühl, M. Glud, R. N., Lauritsen, F. R., 2011. Linking soil O2, CO2 and CH4 concentrations in a wetland soil: implications for CO2 and CH4 fluxes. Environmental Science & Technology 45, 3393 - 339
[3] J?rgensen, C. J., Struwe, S., Elberling B., 2012. Temporal treands in N20 flux dynamics in a Danish wetland - effects of plant-mediated gas transport of N2O and O2 following changes in water level and soil mineral-N availability. Global Change Biology 18, 210 - 222.
Weitere Anwendungen
[4] Elberling B., Matthiesen, H., J?rgensen, C. J., Hansen, B. U., Gr?nnow, B., Meldgaard, M., Andreasen, C., Khan, S. A., 2011. Paleo-Eskimo kitchen midden preservation in permafrost under future climate conditions at Qajaa, West Greenland. Journal of Archaeological Science 38, 1331 - 1339